Порядок выполнения работы

1. Ознакомится с лабораторной установкой, и определить цену деления приборов.

2. Измерить относительную энергию полного излучения тела при температурах, равных 400, 500, 600, 700, 800, 900К, что соответствует 127, 227, 327, 427, 527, 627˚С.

3. Включить установку. При достижении температуры 127˚С отклонить на 1…3с асбестовый экран (Асбестовый экран при считывании показаний гальванометра отклоняется на равные промежутки временные при каждом измерении) и снять показания при максимальном отклонении стрелки гальванометра. Повторить данную операцию при достижении температур 227, 327, 427, 527, 627˚С.

4. По формуле

вычислить длины волн для всех зафиксированных во время опыта температур абсолютно чёрного тела. Полученные результаты представить в виде графика λ_max=f(T).

5. Данные занести в таблицу (таблица рисуется произвольно).

6. Сделать соответствующий вывод.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение основным характеристикам излучения и поглощения.

2. Что такое абсолютно чёрное тело? Какие тела можно рассматривать как абсолютно чёрные.

3. Дайте понятие равновесного излучения.

4. Поясните законы излучения абсолютно чёрного тела (Стефана–Больцмана, Вина, Кирхгофа).

5. Получите из формулы Планка законы Стефана–Больцмана и Вина.

6. Объясните сущность “ультрафиолетовой катастрофы”.

7. Объясните физический смысл k в формуле (1).

8. Поясните получение формулы (2).

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.

2. Физический практикум. Электричество и оптика /Под редакцией В.И. Ивероновой, ГИФМЛ, 1968. – 816с.

3. Кортнев А.В. Практикум по физике. /Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Кузнецов А.М.: – М: Высшая школа, 1963. – 516с.

4. Лекции.

Лабораторная работа №9

Изучение внешнего фотоэффекта и определение чувствительности фотоэлемента

Цель работы: 1.Исследовать вольт–амперные характеристики вакуумного фотоэлемента I=f(U) при различных значениях освещенности фотокатода.

2.Вычислить интегральную чувствительность фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: Фотоэлемент типа СЦВ-3, источник питания постоянного тока, микроамперметр, вольтметр, реостат, лампочка накаливания.

Краткая теория

Испускание электронов твердыми телами (проводники, полупроводники, диэлектрики) под действием электромагнитного излучения – называется внешним фотоэлектрическим эффектом. Внешний фотоэффект наблюдается и в газах на отдельных атомах и молекулах – фотоионизация. Фотоэффект открыт в 1887г. Г.Герцем и переоткрыт русским физиком А.Г.Столетовым (1888-1890 гг.). А.Г.Столетов создал первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, и применил его на практике. Облучая катод светом различных длин волн (экспериментальная установка рис.1), Столетов установил закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени:

1. Наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;

2. Под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;

3. Сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Классическая электродинамика, согласно которой свет распространяется в виде непрерывных монохроматических волн, не может объяснить всех закономерностей фотоэффекта. Сущность его вскрывается квантовой теорией излучения. Излучение света происходит не непрерывно, а отдельными порциями – квантами света (фотонами). Однако явление интерференции и дифракции свидетельствуют о том, что световое излучение обладает также и волновыми свойствами. Поэтому каждому кванту может быть приписана определенная частота. Энергия кванта

,

где  – частота света.

рис.1

S – источник электромагнитного излучения;

С – медная сетка;

П – цинковая пластина;

G – гальванометр включенный в цепь цинковой пластины;

Б – батарея.

Пусть на поверхность металла падает квант света. Если его энергия передается электрону в металле, то поглощающий фотон электрон должен приобрести энергию, равную h. Очевидно часть этой энергии электрон должен затратить на совершение работы выхода. Эта доля энергии будет большей для электрона, лежащего на некоторой глубине под поверхностью, чем для электрона выходящего из поверхностного слоя. Если под работой выхода понимать минимальное значение энергии, необходимое для выхода электрона из металла, то максимальная кинетическая энергия вырванного электрона определится из уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

, (1)

где А – работа выхода электрона из металла (зависит от химической природы материала и чистоты его поверхности).

При изучении вольт–амперных характеристик разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводят в вакууме и на свежих поверхностях) при разных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.

1. Первый закон (Закон Столетова): при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности Ее катода).

2. Второй закон: максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой , а именно линейно возрастает с увеличением частоты.

3. Третий закон: для каждого вещества существует “красная граница” фотоэффекта, т.е. такая минимальная частота ₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), при которой свет любой интенсивности фотоэффекта не вызывает.

Если интенсивность света очень большая, то возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от N (2, 3, 4, 5) фотонов. Уравнение Эйнштейна для многофотонного фотоэффекта

При этом электрон может приобрести энергию, необходимую для выхода из вещества, даже под действием света с частотой, меньшей “красной границы” – порога однофотонного фотоэффекта. В результате “красная граница” смещается в сторону более длинных волн.

Существует также вентильный фотоэффект это возникновение Э.Д.С. (фото – Э.Д.С.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электростатического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

В настоящее время в науке и технике широкое применение получили фотоэлементы – приборы, в основе действия которых лежит явление фотоэффекта (схемы управления и сигнализации техника кино и телевидения и т.д.). Наряду с описанными выше фотоэлементами применяются фотосопротивления, действие которых основано на способности некоторых полупроводников и диэлектриков, например, селена, изменять свою электропроводимость под влиянием света (внутренний фотоэффект). Сущность процесса заключается в том, что, поглощая фотон, электрон получает энергию, но, не вылетая за пределы полупроводника или диэлектрика, переходит в свободное состояние и становится носителем тока.

Механизм внутреннего фотоэффекта вскрывается зонной теорией. Чувствительность фотосопротивлений во много раз выше, чем вакуумных фотоэлементов.