12

Министерство сельского хозяйства российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

Лаборатория оптики и физики атома №2 (012)

РАБОТА № 9

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА

Отредактировано: профессор Ульянов А.И.

ассистент Воронцова Е.Н.

Ижевск, 2011

РАБОТА № 9

ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА

Приборы и принадлежности: 1)- рельсовое основание со стойками, на которых

закреплены электролампа и вакуумный фотоэлемент; 2)- вольтметр;

4)- микроамперметр; 5)- регулятор напряжения.

Многочисленными опытами было установлено, что под действием лучей света определенной длины волны из проводников могут вылетать электроны. Явление вылета под действием света свободных электронов из проводников называют внешним фотоэффектом.

Детальное исследование фотоэффекта представляет большой интерес для изучения твердого тела, так как позволяет получать важные сведения о структуре поверхностных слоев, о расположении электронных энергетических уровней и других свойствах твердого тела. Явление фотоэффекта лежит в основе разнообразных фотоэлектрических приборов, позволяющих решить многие проблемы телевидения, звукового кино, фотометрии, автоматики, телемеханики и т.д.

Внешний фотоэффект был впервые исследован русским физиком А.Г. Столетовым. Схема основного опыта Столетова представлена на рис. 1. Свет падает на находящийся в вакууме катод и вырывает из него электроны. Если к аноду, находящемуся на некотором расстоянии от катода, подать положительный потенциал, то под действием электрического поля электроны начнут двигаться к аноду и по цепи потечёт ток, который регистрируется гальванометром. Основные закономерности внешнего фотоэффекта, установленные А.Г. Столетовым, сводятся к следующему:

1. Сила фототока i, определяемая количеством электронов, вырванных светом из металла, пропорциональна интенсивности света, падающего на металл, и не зависит от длины волны (частоты) излучения.

2. Кинетическая энергия (mυ²/2) выбитых светом из поверхности металла электронов не зависит от интенсивности свет, но возрастает с увеличением частоты (уменьшением длины волны) излучения.

3. Для каждого материала проводника существует определенная минимальная частота излучения (красная граница фотоэффекта), способная вырвать из поверхности проводника электроны. При освещении проводника светом меньшей частоты фотоэффект не происходит.

Механизм внешнего фотоэффекта был объяснен в 1905 г. А. Эйнштейном на основе квантовых представлений о природе света. Согласно этой теории свет представляет собой поток микрочастиц - световых квантов, (фотонов), которые летят в вакууме со скоростью света и имеют энергию:

Е_Ф = h,

где h = 6,6210 ^–34 Джс – постоянная Планка,  - частота света.

Падая на поверхность металла, фотоны передают свободным электронам металла свою энергию. Часть энергии фотона при этом тратится на вырывание электрона из поверхности металла, а оставшаяся часть энергии фотона идёт на сообщение вырванному электрону кинетической энергии:

h = А_В+ mυ²_max/2 (1)

Это уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Здесь произведение h есть энергия фотона, А_В – работа выхода электрона из металла, mυ²/2 - кинетическая энергия вылетевшего электрона. Уравнение фактически отражает закон сохранения энергии для фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна даёт объяснение всех основных закономерностей внешнего фотоэффекта. С точки зрения квантовой теории интенсивность света определяется количеством падающих фотонов. Каждый фотон, падающий на катод, может вырывать из него один электрон. Тогда количество вырванных электронов (носителей фототока) будет прямо пропорционально количеству падающих фотонов, то есть интенсивности падающего света, что и наблюдается на опыте.

Из уравнения (1) следует, что кинетическая энергия выбитых электронов определяется только энергией падающих квантов: скорость выбитых электронов с повышением частоты  излучения света будет возрастать и не зависит от количества падающих фотонов, то есть от интенсивности света.

Каждый проводник характеризуется определённым значением работы выхода электронов А_В. Если энергия фотона меньше работы выхода h  А_В, то электроны вылететь за пределы металла не могут. Таким образом, внешний фотоэффект имеет место лишь при условии:

h_КР ≥ А_В,

где _КР - некоторая минимальная для данного проводника частота света, при которой наблюдается фотоэффект. Величину _КР = А_В /h называют красной границей фотоэффекта. Поскольку частота ν связана с длиной волны λ света соотношением: λ = с/ν , где с- скорость света, то красную границу фотоэффекта иногда выражают через длину волны света: λ_КР = с h/А_В.