ФОТОЭЛЕКТРЛІК ЭФФЕКТ ҚҰБЫЛЫСЫНЫҢ НЕГІЗГІ ПАРАМЕТРЛЕРІН ЭКСПЕРИМЕНТАЛДЫ ЗЕРТТЕУ

Набиева Қаракөз Еркенбекқызы, Турганова Гүлбала Амирханқызы

6В01502-Физика мұғалімдерін даярлау білім беру бағдарламасының студенттері

Ғылыми жетекші: Оразымбетова Гүлайым Хайруллаевна, аға оқытушы

М.Х.Дулати атындағы Тараз университеті, Тараз қ., Қазақстан Республикасы

nabievak4@gmail.com

Аннотация

Бұл мақалада фотоэлектрлік эффект құбылысы және оның негізгі параметрлерін анықтаудың заңдылықтары зерттеледі. Жұмыста фотоэффект құбылысының жалпы сипаттамасы беріліп, вакуумдық фотоэлементке тән қасиеттер тәжірибелік зерттеулер жүргізу арқылы талданады. Эскпериметтік зерттеу нәтижелері фотоэффект құбылысының практикалық қолдану мүмкіндіктерін ашып қана қоймай, физика мен техника салаларындағы маңыздылығыын көрсетеді.

Аннотация

В данной статье рассматривается явление фотоэффекта и законы определения его основных параметров. В работе дано общее описание явления фотоэффекта, а также проанализированы характеристики вакуумного фотоэлемента путем проведения экспериментальных исследований. Результаты экспериментальных исследований не только раскрывают возможности практического применения явления фотоэффекта, но и показывают его значение в области физики и техники.

Annotation

This article discusses the phenomenon of the photoelectric effect and the laws of determining its main parameters. The paper provides a general description of the photoelectric effect phenomenon, as well as analyzes the characteristics of a vacuum photocell by conducting experimental studies. The results of experimental studies not only reveal the possibilities of practical application of the photoelectric effect phenomenon, but also show its importance in the field of physics and technology.

Фотоэффект - бұл жарықтың немесе электромагниттік сәулеленудің әсерінен электрондардың объект бетінен шығу процесі. Бұл құбылысты алғаш рет 19 ғасырдың аяғында Генрих Герц байқады, содан кейін Альберт Эйнштейннің кванттық теориясының теориялық түсіндірмесі ғылыми негізделген. Эйнштейн жарықтың ішінара табиғатын зерттеп, әрбір фотонның энергиясы Жарық жиілігіне пропорционалды екенін және заттың бетінен электрондарды кетіру үшін жеткілікті энергия беретінін дәлелдеді. Фотоэффект құбылысы кванттық механиканың дамуына айтарлықтай үлес қосты және физика ғылымының маңызды бөлігіне айналды.

Фотоэффекттің практикалық маңызы зор. Бұл құбылыс күн энергиясын электр энергиясына, күн батареяларына, Жарық сенсорларына, камераларға және басқа да заманауи құрылғыларға түрлендіруде қолданылады. Бұл ғылыми жұмыстың мақсаты фотоэффекттің негізгі параметрлерін эксперименталды түрде зерттеу және жарықтың жиілігі мен қарқындылығы фотоэлектрондардың саны мен энергиясына қалай әсер ететінін анықтау болды.

Фотоэффект құбылысының негізгі параметрлері - шығыс қуаты, фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы және шекті жиілік. Фотоэффект бойынша жарық бөлшектері-фотондар-электрондармен соқтығысып, оларға энергиясын береді. Егер бұл энергия заттың электронды шығымына тең немесе одан көп болса, электрондар бөлінеді.

1. Фотоэффекттің негізгі заңдарын қарастырыңыз:

- Фотоэлектрондардың максималды кинетикалық энергиясы: Эйнштейннің фотоэлектрлік теңдеуіне сәйкес фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы Жарық жиілігіне (немесе Фотон энергиясына) тәуелді және формула бойынша анықталады:

E_к=hν−A_ш

мұндағы: E_к ​ – фотоэлектрондардың максималды кинетикалық энергиясы, h – Планк тұрақтысы (h=6.626×10^-34 Дж·с), ν – жарықтың жиілігі, A_ш – шығу жұмысы, яғни электронның беттен босап шығуы үшін қажет минималды энергия.

- Фотоэффект пайда болуы үшін сәулелену жиілігі белгілі бір минималды мәннен асып кетуі керек. Бұл мән шекті жиілік деп аталады және шығыс сигналының жұмысына байланысты:

ν₀=A/һ

Егер жарық жиілігі ν₀-ден төмен болса, фотонның энергиясы электронның бастапқы функциясына жетпейді және фотоэлектрлік әсер байқалмайды.

Әрбір заттың фотоэффектісінің «қызыл шекарасы» бар. Яғни жарықтың кез келген интенсивтілігі минимальді ν₀ жиілікте фотоэффект құбылысын туғызбайды [2].

- Фотоэлектрондар саны және жарық қарқындылығы: жарық қарқындылығы фотоэлектрондардың санын анықтайды. Егер жиілік өзгеріссіз қалса, онда жарық қарқындылығы жоғарылаған сайын шығарылатын фотоэлектрондар саны артады, өйткені объектінің бетіне көбірек фотондар түседі. Бірақ оның қарқындылығы фотоэлектронның энергиясына әсер етпейді-оның энергиясы тек жиілігіне байланысты.

Фотоэффект құбылысын зерттеу үшін эксперименттерде электродтары вакуумға орналастырылған вакуумдық фотоэлементтер қолданылады. Жарық көзінен фотондар катодтың бетіне түсіп, электрондарды шығарады, нәтижесінде анодқа бағытталған электр тогы пайда болады. Бұл токтың шамасы жарықтың қарқындылығына байланысты, ал электрондардың кинетикалық энергиясы жарықтың жиілігімен анықталады.

2. Эксперимент жүргізу үшін келесі қадамдар орындалады:

- Жарық көзі ретінде әртүрлі жиіліктер мен қарқындылықтардың сәулеленуі қолданылады.

- Фотоэлемент арқылы өтетін ток өлшенеді және оның жарық жиілігі мен қарқындылығына тәуелділігі зерттеледі.

- Вакуумдық фотоэлементтер фотоэлектронды тоқтату үшін қажетті кернеу болып табылатын электрондардың максималды кинетикалық энергиясын өлшеу үшін тежеу потенциалын пайдаланады.

1-сурет. Экспериментке дайындық

Эксперименттік жұмысты орындау үшін біз алдымен фотоэлементтің вольт-амперлік сипаттамасын алу үшін 1-суретте қажетті құрылғыларды дайындадық. Светофильтр көмегімен жарық көзінен максималды монохроматын алуға тырыстық.

1-кесте

Графикті салуға көшеміз. Фотоэлементтің электродтары арасындағы полярлықты өзгертіп, ауыстырғышты "тежеуші" жағдайына ауыстырып қоямыз. Кернеудің мәнін жоғарылата отырып, фототок нөлге тең болатын кезге келтіріп құрылғының мәнін орнатамыз. Алынған кернеу мәні фототоктың болмаған катод пен анод арасындағы потенциал айырмасының мәніне сәйкес келеді, ол 0,65 вольтты құрайды.

Енді өлшеу нәтижелеріне негізделе отырып, фототок пен кернеу арасындағы тәуелділік графигін, яғни вольт-амперлік сипаттаманы 2-суреттегідей саламыз.

2-сурет. Фотоэлементтің вольт-маперлік сипаттамасы

Шығу жұмысын және Планк тұрақтысын анықтау

Екінші бөлім сол эксперименттік қондырғыда жүзеге асырылатын болады. Енді біз фототоктың күшінің нөлге тең болатын потенциалдар арасындағы тәуелділікті анықтаймыз, яғни "тежеуші" потенциалдарды өлшейміз, және жарықтың жиілігін өзгертеміз.

Алдымен қызыл светофильтрді 3-суреттегідей орналастырамыз оның толқын ұзындығы 595 нанометр екені белгілі. Потенциал ауыстырғышын "тежеуші" нүктесіне қоямыз. Осыдан кейін фототок күшінің нөлге тең болатын потенциалын өлшейміз.

А лынған деректер:

- Қызыл светофильтр: 0,27 В

- Қызғылт-сары светофильтр: 0,27 В

- Сары светофильтр: 0,47 В

- Жасыл светофильтр: 0,54 В

- Көгілдір светофильтр: 0,67 В

- Көк светофильтр: 0,85 В

- Күлгін светофильтр: 0,91 В 3-сурет. Светофильтрлер

2-кесте

Столетов заңын зерттеу

Біз фотоэлементті лампадан минималды қашықтықта орналастырып, электродтар арасындағы кернеу, фототоктың қанығу деңгейіне жеткенше қашықтықты өзгертеміз. Біздің жағдайымызда фототоктың қанығу мөлшері 42,60 микроамперге тең.

Лампа мен фотоэлемент арасындағы қашықтықты 5 сантиметрге өзгерту арқылы 4-суреттегі фототоктың мөлшерінің өзгерісін анықтауға кірісеміз. Фотоэлементті 5 сантиметрге жылжытамыз, нәтижесінде фотокатодқа түскен жарық мөлшері өзгереді. Алынған фототок мөлшері 38,6 микроамперді құрайды.

Келесі қадамда да дәл солай фотоэлементті тағы 5 сантиметрге (10 сантиметр болды) жылжытамыз, нәтижесінде фототок 35,3 микроамперге төмендейді. Сосын тағы 5 сантиметрге (15 сантиметр) жылжытамыз, фототоктың мөлшері 32,6 микроамперге жетеді. 5 сантиметрге тағы жылжытқанда, фототок 31,0 микроамперге дейін төмендейді.

4-сурет. Фототоктың қашықтыққа тәуелділігін зерттеу

3 – кесте

Соңында лампа мен фотоэлемент арасындағы қашықтық 25 сантиметр болғанда, фототок 27,9 микроамперге дейін түседі. Алынған нәтижелерді 3 – кестеге енгіземіз. Кестенің мәліметтеріне негізделе отыра 5 – суретте көрсетілгендей график тұрғызамыз.

5-сурет. Фототоктың қашықтыққа тәуелділік графигі

3. Эксперимент нәтижелерін талдау

Эксперимент нәтижелері фотоэлектрлік эффекттің негізгі заңдарын растайды:

- Фотоэлектрондардың энергиясының жарық жиілігіне тәуелділігі: Эксперимент нәтижесінде жиіліктің артуымен фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясының да артатыны дәлелденеді. Бұл Эйнштейн теңдеуімен сәйкес келеді, мұнда Ek=hν−A формуласы бойынша жиілік неғұрлым үлкен болса, фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы да артады.

- Шекті жиілік мәні - бұл егер жарық жиілігі шекті жиіліктен төмен болса, ешқандай фотоэлектрон босап шықпайтынын білдіретін физикалық шама. Бұл тәжірибе шекті жиілік мәнінің бар екенін көрсетіп, жарықтың бөлшектік табиғатын дәлелдейді.

- Эксперимент нәтижесінде жарық қарқындылығы артқан сайын фотоэлектрондар санының көбейетіндігі байқалады, бірақ олардың кинетикалық энергиясы өзгермейтінін ескерген жөн.

Фотоэлектрлік эффект құбылысының негізгі параметрлерін эксперименталды зерттеу арқылы жарықтың бөлшектік қасиеті мен оның фотоэлектрондарға әсер ету заңдылықтары айқындалды. Жарық жиілігі фотоэлектрондардың энергиясына тікелей әсер ететіні, ал жарық қарқындылығы тек электрондар санына ықпал ететіні эксперименттік түрде дәлелденді. Бұл нәтижелер фотоэлектрлік эффекттің негізгі заңдарына сәйкес келеді және физикадағы кванттық теорияның маңызды аспектілерін қолдайды.

Эксперименттік зерттеу нәтижелері фотоэлектрлік эффекттің теориялық маңызын ашып қана қоймай, оның практикалық қолданылу мүмкіндіктерін де көрсетеді. Фотоэлектрлік эффекттің қасиеттерін түсіну күн батареялары, жарық сенсорлары мен басқа да заманауи құрылғыларды жетілдіруге мүмкіндік береді. Осылайша, фотоэлектрлік эффектті зерттеу физиканың дамуына және заманауи технологиялардың жаңаруына елеулі үлес қосады.

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

1. Наурызбаев А., Көшербаева М.Р. «Оптика» пәні бойынша зертханалық жұмыстар орындау. 5В011000 «Физика» мамандығы студенттеріне арналған әдістемелік нұсқау. Тараз: Тараз мемлекеттік педагогикалық институты, 2016.-62 6.

2. Жалпы физика курсы: Алматы: / Т. Бижігітов, – Алматы: ЖШС «Экономика», 2013. – 890 бет

3. Кванттық физика және фотоэффект туралы деректер. Физика және математика журналы, 2022, №4, 115-123 бет.