ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

Снятие характеристик вакуумного фотоэлемента

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

закреплены электролампа и вакуумный фотоэлемент; 2)- вольтметры

(2 шт.); 4)- микроамперметр; 5)- выпрямитель с реостатом , 6)- автотрансформатор.

Многочисленными опытами установлено, что под действием лучей света надлежащей волны из вещества могут вырываться электроны. Потеря телами отрицательного электрического заряда при освещении их лучами света называется фотоэффектом.

Если возбуждённые светом электроны выходят наружу, за пределы облучаемого вещества, то наблюдаемый фотоэффект называется внешним.

Детально изучение фотоэффекта представляет большой интерес для физики твёрдого тела, позволяя получить важные сведения о структуре поверхностных слоев, о расположении электронных энергетических уровней и других свойствах твёрдого тела. Практические приложения фотоэффекта также исключительно богаты и разнообразны: многие проблемы телевидения, звукового кино, фотометрии, автоматики и телемеханики не могли бы быть решены без использования в качестве основного элемента того или иного фотоэлектрического прибора.

Внешний фотоэффект был впервые исследован русским физиком А.Г. Столетовым в 1888 году. 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.

Установленные А.Г. Столетовым основные закономерности фотоэффекта сводятся к следующему:

1. Сила фототока, измеряющаяся количеством электронов вырываемых светом из металла, пропорциональна световому, потоку, падающему на металл, но не зависит от длины световой волны.

2. Скорость выброшенных из металла электронов возрастает с уменьшением длины волны излучения, иначе говоря, скорость электронов возрастает при увеличении частоты излучения, но совершенно не зависит от величины светового потока.

3. Для каждой данной металлической поверхности существует вполне определённая минимальная частота излучения, способного вырывать из металла электроны; освещение металла лучами меньшей частоты не даёт никакого эффекта.

Механизм внешнего фотоэффекта был разъяснён в основных чертах в 1905 г. А. Эйнштейном на основе квантовых представлений о природе света. Световые кванты, падая на поверхность металла, встречаются со свободными электронами, имеющимися в металле в большом количестве. Происходит удар, в результате которого энергия кванта переходит в кинетическую энергию электрона. Таким образом, электрон получает достаточную энергию для того, чтобы выскочить с поверхности металла. Математическая запись этого процесса будет такова:

(1)

Это так называемое уравнение Эйнштейна. Здесь h = 6,65^.10^-34 Дж^.с – постоянная Планка, ν – частота света, m и V – масса и скорость выброшенного электрона, W – работа выхода электрона из металла.

Уравнение (1) означает, что энергия кванта hv частично переходит в кинетическую энергию электрона mV²/2, частично же затрачивается на работу W, необходимую для того, чтобы вырвать электрон из металла.

Уравнение Эйнштейна содержит объяснение всех основных свойств фотоэффекта. Из этого уравнения мы видим, что число выброшенных электронов (сила фототока) определяется числом падающих на поверхность тела квантов, поэтому количество испускаемых в секунду электронов пропорционально световому потоку.

Кинетическая энергия, а, следовательно, и скорость вылетевших электронов будут тем большими, чем больше частота излучения v. Увеличение числа падающих квантов света (светового потока), приводит к увеличению числа выброшенных электронов, но не увеличивает их скорости.

Для каждого металла имеется своя работа выхода электрона. Если энергия кванта hv будет меньше работы выхода, то электрон не может приобрести достаточной кинетической энергии, чтобы выйти за пределы металла. Таким образом, фотоэффект может иметь место при условии hv_o>W, где v_o – некоторая минимальная для данного металла частота света.