fizick_praktika_III

10.Нажмите кнопку T3. Через 5 минут повторите измерения по пп. 5–8.

11.Выключите двигатель модулятора, отключите «Сеть».

12.Обработка результатов измерений:

а) постройте графики зависимостей UR UR( ,Ti ) для трёх

температур;

б) определите величины (λmax )i для всех температур излу-

чателя

(Ti )эксп b / ( max )i ;

в) сравните полученные значения температур с паспортными для установки: T1 = 900 К, T2 = 740 К, T3 = 630 К и определите отклонения рассчитанных значений от заданных;

г) проверьте выполнимость закона Стефана – Больцмана, учитывая, что напряжение URTi пропорционально энергетической све-

тимости URTi , используйтеследующеесоотношение:

URT1 / (T1 )4 URT2 / (T2 )4 URT3 / (T3 )4 const.

Значения температур Ti паспортные. Определите среднее значение отношений (URT1 / (T1 )4 )ср и отклонения от среднего.

Контрольные вопросы и задания

1.Какова природа теплового излучения?

2.Что такое абсолютно черное тело?

3.Дайте понятие энергетической светимости.

4.Что такое спектральная плотность энергетической светимости тела?

5.Что показывает спектральная поглощательная способность тела?

6.Сформулируйте законы смещения Вина.

7.Сформулируйте закон Стефана – Больцмана.

8.Сформулируйте закон Кирхгофа.

9.Что такое серое тело?

111

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основная литература

1. Трофимова, Т.И. Курс общей физики (учебное пособие для технических специальностей вузов) / Т.И. Трофимова. – М. : Издательский центр «Академия», 2007, 2008. – 560 с.

Дополнительная литература

1.Савельев, И.В. Курс общей физики. Т. 3 / И.В. Савельев. – М. : Наука, главная редакция физико-математической литерату-

ры, 1982. – 304 с.

2.Сивухин, Я.В. Общий курс физики.Т. 3 / Я.В. Сивухин. – М. : Наука, главная редакция физико-математической литерату-

ры, 1980. – 520 с.

3.Ландсберг, Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. – М. : Наука, 1976. – 655 c.

4.Лабораторная установка «Экспериментальное изучение законов теплового излучения» (методика выполнения

12.2.850.000 МВ). – Минск : РТИ, 1990. – 9 с.

112

Лабораторная работа № 7 ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение явления фотоэффекта, световых характеристик фотоэлемента, его вольт-амперной характеристики, свойств материала фотоэлемента.

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Фотоэлемент ЦГ-4, источник света (лампа накаливания), источник питания на 100 В, микроамперметр, вольтметр. Компьютер с программным обеспечением.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1.Виды фотоэлектрического эффекта

Среди физических явлений, в которых проявляется взаимодействие света с веществом, важным является фотоэлектрический эффект – фотоэффект, открытый Г. Герцем в 1887 г. и детально изученный А.Г. Столетовым (1888–1890 гг.). Фотоэффект заключается в освобождением (полном или частичном) электронов – фотоэлектронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света.

Существуют разные виды фотоэффекта.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект происходит в металлах, которые имеют свободные электроны.

Внутренний фотоэффект характеризуется вырыванием электронов из атомов под воздействием электромагнитного излучения, при этом они остаются внутри вещества без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри вещества увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости

113

(повышению электропроводимости при освещении). Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках. Он впервые обнаружен российскимучёным А.Ф. Иоффев 1908 г.

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта и приводит к возникновению ЭДС (фотоЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути дляпрямогопреобразованиясолнечнойэнергиивэлектрическую.

3.2. Законы внешнего фотоэффекта

Экспериментальная установка, выполненная по приведённой на рис. 7.1 схеме, может быть использована для исследования явления фотоэффекта. Она позволяет изменять не только значение, но и знак подаваемого напряжения. Ток, возникающий при освещении катода вакуумной лампы монохроматическим светом, называется фототоком. Изучение фотоэффекта Столетовым дало возможностьвыявитьосновные закономерности фотоэффекта:

1)наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;

2)под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;

3)сила тока, возникающего под действием света, прямо

	Свет			пропорциональна его интенсивности;
				4) фототок появляется даже при
				кратковременном освещении, т. е. фото-
К
		А
				эффектпрактическибезинерционный.
				В 1898 г. английский учёный
	μА			Дж. Дж. Томсон, измеряя по откло-

Vнению в электрическом и магнитном полях удельный заряд частиц, испус-

Rкаемых под действием света, показал, что под действием света выры-

Рис. 7.1	ваются электроны.

114

Изучение вольт-амперной характеристики фотоэффек-

та – зависимости фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами – дает возможность выявить основные закономерности фотоэффекта.

Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям Ее катода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рис. 7.2. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т. е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Когда все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, ток принимает своемаксимальноезначениеIнас (фототок насыщения):

Iнас = en,

(7.1)

где п – число электронов, испускаемых катодом в одну секунду; е – заряд электрона (элементарный заряд).

I

	I1нас
				Ee растет
	I2нас

U0	0	Рис. 7.2	U

Вольт-амперная характеристика показывает, что при U = 0 фототок не исчезает, поскольку некоторые электроны, выбитые светом из катода, обладают начальной скоростью V и отличной от нуля кинетической энергией. Они могут достигнуть анода без внешнего поля. Чтобы фототок принял значение, равное нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U0. При

115

U = U0 ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью Vmax, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

mV	2	eU0 .	(7.2)
max
2

Измерив задерживающее напряжение U0, можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

При изучении вольт-амперных характеристик разных материалов при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были сформулированы следующие

три закона внешнего фотоэффекта (законы Столетова).

I. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения

Iнас пропорциональна величине светового потока Ф (Iнас = K Ф). II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интен-

сивностипадающегосвета, аопределяетсятолькоегочастотой . III. Для каждого вещества существует красная граница

фотоэффекта, т. e. минимальная частота 0 света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен (или максимальная дли-

на волны 0, выше которой фотоэффект невозможен). Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки

зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточна для того, чтобы электроны покинули металл. Тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого

116

из металла электрона должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Так как по волновой теории энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории.

3.3. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

Законы фотоэффекта объясняются на основе квантовых представлений о природе света. Квантовая теория внешнего фотоэффекта создана А. Эйнштейном в 1905 г. В её основу легло предположение о существовании квантов электромагнитного излуче-

ния – фотонов, энергия которых = hv, где h = 6,62 10-34 Дж с – постоянная Планка; – частота излучения. Согласно Эйнштейну,

свет частотой не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается

веществомотдельнымипорциями(квантами – фотонами).

При фотоэффекте происходит взаимодействие фотона с электроном вещества. Учитывая закон сохранения энергии, Эйнштейн сформулировалследующееуравнение:

h A	mV	2	.	(7.3)
	max
	2

Уравнение (7.3) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из него следует, что энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии. В общем случае значение кинетической

энергии лежит в пределах от 0 до mV2max2 .

117

ИзтеорииЭйнштейна следует, чтокаждыйквантпоглощается одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально числу падающих на вещество фотонов соответственно интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безинерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновенииэлектронасфотономпроисходитпочтимгновенно.

Уравнение Эйнштейна объясняет II и III законы фотоэффекта. Из (7.3) следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа

фотонов), так как ни А, ни от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта)1. Для данного типа металла (А = const) с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлек-

тронов уменьшается. При уменьшении частоты до определён-

ной величины 0 кинетическая энергия фотоэлектрона становится равной нулю, и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Следовательно, из (7.3) получаем, что

0 = А/h

или

0 = с/ 0 = сh/A ,

(7.4)

где c – скорость света в вакууме, а 0 и 0 – красная граница фотоэффекта для данного металла, выраженная в различных единицах. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т. е. от химической природы вещества и от состояния его поверхности. Уравнение Эйнштейна (7.3) можно записать, используя выраже-

ния (7.2) и (7.4), в виде

eU0 = h( – 0)

или eU0= h – А.

(7.5)

Уравнение (7.5) указывает на линейную зависимость задерживающего напряжения от частоты электромагнитного излучения, вызывающего фотоэффект. Приведённое выражение позволяет определить величину постоянной Планка h, а также и работу выхода электрона из вещества A.

1 При большой плотности потока фотонов (например, в мощном лазерном луче) возможно многофотонное поглощение (нелинейный фотоэффект).

118

3.4. Применение фотоэффекта

Фотоэффект применяется в науке и технике. Созданы различныеприборы, действующиенаосновеявленияфотоэффекта.

Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Это откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо, помещенное в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, ЭДС которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Вакуумные фотоэлементы безинерционны, для них наблюдается строгая пропорциональность фототока от интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, таких как фотоэлектрический экспонометр, люксметр и т. д.

Заполнение баллона разреженным инертным газом увеличивает интегральную чувствительность вакуумных фотоэлементов. Фототок в газонаполненном элементе усиливается в результате ионизации молекул газа фотоэлектронами. Интегральная чувствительность таких фотоэлементов в тысячи раз выше, чем у вакуумных, однако они обладают большей инерционностью, что ограничивает область их применения.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые

полупроводниковыми фотоэлементами, или фотосопротив-

лениями (фоторезисторами), обладают большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используют РbS, СdS, РbSe и некоторые другие полупроводники. Если катоды вакуумных фотоэлементов имеют красную границу

фотоэффекта 0 не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далёкой инфракрас-

ной области спектра излучения ( 3–4 мкм), а также в областях

рентгеновского ( 0,01–1 нм) и гамма-излучений ( < 10 пм). Фотосопротивления малогабаритны и имеют низкое напряжение

119

питания. Недостаток фотосопротивлений – их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом называются

вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запира-

ющим слоем). Такие фотоэлементы, подобно элементам с внешним фотоэффектом, обладают строгой пропорциональностью фототока и интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, сер- нисто-серебряные и другие. Вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих солнечную энергию в электрическую. Эти батареи уже в течение многих лет работают на спутниках и космических кораблях. Имеются широкие перспективы их использования в качестве источников питания для бытовых и промышленных целей.

Рассмотренные виды фотоэффекта используются в производстве для контроля, управления и автоматизации различных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в технике звукового кино, в различных системах связи и т. д.

3.5. Характеристики фотоэлементов

Световой характеристикой называют зависимость между силой фототока и величиной падающего светового потока приусловии, что напряжение между электродами фотоэлемента сохраняется неизменным. Этазависимостьвыражаетсяформулой

IФ = КФ,

(7.6)

где IФ – фототок, измеренный в микроамперах; Ф – световой поток в люменах; К – коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотоэлемента. В вакуумных фотоэлементах существует пропорциональная зависимость между IФ

120