Fizika_chast_3 / LAB61

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6-1

ИЗУЧЕНИЕ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в изучении внешнего фотоэффекта и снятии вольтамперной характеристики фотоэлемента.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ РАБОТЫ

Внешним фотоэффектом называют испускание электронов под действием света. Фотоэффект был открыт Г. Герцем в 1887 году. В 1888 – 1889 годах А.Г. Столетов поставил опыты по изучению фотоэффекта.

Обычно для исследования применяется схема, сходная со схемой Столетова (рис.1). Вольт-амперная характеристика в значительной степени зависит от состояния электродов, установки и формы.

На рис.2 сплошной линией изображена характеристика фототока установки, в которой осуществлен глубокий вакуум, а электродам придана такая форма, что все заряды, вырванные с освещенной поверхности, попадают на второй электрод без помощи ускоряющего поля. При другой форме и взаимном расположении электродов вольт-амперная характеристика сильно искажается (пунктирная линия), но сохраняет основные черты:

• при некоторой отрицательной разности потенциалов U₃, ток спадает до нуля (запирающее напряжение);

• при достаточно больших положительных значениях разности потенциалов ток доходит до постоянного значения (ток насыщения).

Существование фототека при отрицательных значениях напряжения от нуля до U₃ свидетельствует о том, что фотоэлектроны выходят с катода, имея начальную скорость и, соответственно, кинетическую энергию. Максимальная скорость фотоэлектронов V_MAX связана с задерживающей разностью потенциалов соотношением:

(1)

При неизменном спектральном составе света, падающего на катод, ток насыщения I_H пропорционален падающему световому потоку (закон Столетова). Это сферический конденсатор, его внутренний шарик представляет собой светочувствительную поверхность малого размера.

Для данного фотокатода максимальная начальная скорость фотоэлектронов зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

Дня каждого фотокатода существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света _MIN, при которой ещё возможен фотоэффект. Второй и третий законы фотоэффекта не удается истолковать на основе классической электромагнитной теории света.

А. Эйнштейн в 1905 году предложил рассматривать свет как совокупность независимых квантов энергии . Согласно этому предположению энергия электронов должна зависеть не от интенсивности света, а от частоты, в то время как интенсивность будет влиять лишь на количество электронов. Согласно Эйнштейну:

(2)

Здесь – энергия поглощенного светового кванта (фотона); A – работа выхода электрона из металла. Минимальное значение частоты, при которой ещё можно наблюдать фотоэффект, определяется работой выхода и называется красной границей фотоэффекта. В этом случае:

или

Таким образом, законы внешнего фотоэффекта находят свое объяснение в рамках квантовой точки зрения не природу фотоэффекта. Уравнение (2) носит название уравнение Эйнштейна, по существу оно является выражением закона сохранения и превращения энергии при фотоэффекте.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Обычно используют сурьмяно-цезиевый вакуумный (ЦВ) и кислородно-цезиевый газонаполнительный (ЦТ) фотоэлементы. Вакуумный фотоэлемент выполнен в виде стеклянного баллона (рис.3), в котором создан вакуум мм.рт.ст.

Роль катода K выполняет слой сурьмы, нанесенный на стенку колбы и обработанный парами цезия. В центральной части баллона расположен анод A, имеющий форму кольца. Газонаполненный фотоэлемент отличается от вакуумного тем, что катодом служит слой окиси серебра и цезия, а баллон заполненный инертным газом при небольшом (порядка мм.рт.ст.) давлении. Наличие газа повышает чувствительность фотоэлемента, так при достаточной разности потенциалов фотоэлектроны способны ионизировать атомы газа, создавая дополнительные электроны (несамостоятельный газовый разряд).

При увеличении напряжения ток газонаполненного фотоэлемента возрастает, не достигая насыщения, в то время как у вакуумного анода имеется ток насыщения. Он достигается, когда все электроны, вырванные с поверхности катода, при фиксированном световом потоке, попадают на анод.

Схема экспериментальной установки приведена на рис.4 и 5.

Здесь фотоэлемент ФЭ помещен в непрозрачный экран Э с целью предохранения ФЭ от посторонних источников света. На оптической скамье ОС нанесены метки для измерения расстоянии лампы накаливания от ФЭ.

С помощью ФД можно измерять освещенность, (см. ниже). Назначение остальных элементов схемы достаточно очевидно.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Снятие вольт-амперной характеристики

Вольт-амперная характеристика ФЭ представляет собой зависимость тока I от напряжения U на электродах ФЭ при фиксированном световом потоке (фиксированных расстояний лампочки накаливания от ФЭ и напряжении накала U_H).

1.Включить в сеть лампочку накаливания. Подключить установку к источнику постоянного тока.

2.Установить лампочку накаливания на расстоянии r₁ (указано на табличке) от ФЭ.

3.Через каждые 10 В снимать показания микроамперметра и результат заносить таблицу 1.

4.Установить другое расстояние r₂ между лампочкой накаливания и ФЭ.

5.Снять вторую вольт-амперную характеристику. Данные занести в таблицу 1.

Таблица 1

U, В
I, мкА при
I, мкА при

Снятие световой характеристики

Световая характеристика показывает зависимость фототока I от величины светового потока при постоянном значении напряжения на ФЭ. При этом напряжении U на ФЭ подбирается танин образом, чтобы ток I был током насыщения (это напряжение указано на табличке). Согласно сказанному ранее, зависимость I от должна быть линейной. Выразим световой поток, падающий на фотокатод ФЭ, через освещенность E и площадь S фотокатода:

В данной работе требуется построить зависимость:

где ₁, E₁ – некоторые начальные значения потока и освещенности соответственно. В свою очередь значение , может быть определено с помощью тока I_ФД, протекающего в цепи фотодиода ФД, при освещении его светом:

Ток I_ФД измеряется микроамперметром A (рис.4). Таким образом:

где I_ФД1 – некоторое начальное значение тока.

1.Установить на ФЭ напряжение U (указано на таблице).

2.Установить лампу накаливания на расстояние от ФЭ с интервалом 1см (указано на табличке).

3.Измерить значение фототока

Фотодиод ФД на установке размещен ближе к источнику света, чем ФЭ. Поэтому для определения освещенности на расстоянии r_i необходимо отодвинуть лампочку накаливания на расстояние L (указано в табличке) от значения r_i. Нажатием кнопки подключить микроамперметр к ФД и снять показания I_ФД и тока фотодиода.

4.Занести значения тока фотоэлемента в таблицу 2.

5.На миллиметровой бумаге построить вольтамперные характеристики при фиксированных значениях на одном графике, зависимость фототока от относительной величины светового потока на другом графике:

Таблица 2

r, см
I, мкА
IФД, мкА

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что называется внешним фотоэффектом?

2.Сформулируйте законы фотоэффекта.

3.Что называется вольт-амперной характеристикой ФЭ?

4.Что такое световая характеристика?

5.Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Поясните энергетический смысл этого уравнения.

6.Что такое красная граница фотоэффекта? Чем определяется красная граница фотоэффекта?

ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, М., 1970.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.3, М., 1973.

9