№15 ЛЖ ФОТОЭФФЕКТ

№15. Лабораториялық жұмыс

Сыртқы фотоэффектіні зерттеу.

Жұмыстың мақсаты: Фотоэлементтің вольтамперлік сипаттамасын зерттеу.

Құрал-жабдықтар: фотоэлемент, микрометр, потенциометр, екі вольтметр.

Теориялық кіріспе.

Сыртқы фотоэффект деп заттан жарық сәулесінің әсерінен электрондардың ыршып шығуын айтады. Фотоэффект үшін Эйнштейн теңдеуі былай беріледі:

(1)

мұндағы hν – жарық квантының энергиясы, А- заттан электронның ыршып шығуы үшін қажетті жұмыс, - ыршып шыққан электронның максимал кинетикалық энергиясы.

(1) теңдеуі Столетов (1883-1889) ашқан фотоэффект заңының теориялық тұжырымдамасын береді:

1. фотоэлектрондардың максимал жылдамдығы жарық жиілігімен анықталады және оның интенсивтілігіне тәуелсіз;

2. қанығу фототогы жарық ағынына пропорционал;

3. әр зат үшін сыртқы фотоэффект мүмкін болатын минимал жиілік ν₀ болады (бұл шама фотоэффектінің қызыл шегі деп аталады):

(2)

Егер ν<ν₂ болса, фотоэффект құбылысы байқалмайды.

Сыртқы фотоэффект тәжірибе түрінде кең қолданылады. Фотоэффект құбылысы негізінде жұмыс істейтін аспаптар – фотоэлементтер деп аталады. Вакуумдық және газ толтырылған фотоэлементтердің көптеген түрлері бар.

Вакуумдық фотоэлементтің қарапайым түрі шыны баллоннан тұрады, оның катоды фотосезімтал қабатпен (натрий, калий не цезиймен) қапталады. Бұл қабат фотокатод К қызметін атқарады (1-сурет). Баллон ішінің орта бөлігіне сфера, жартылай сфера не сақина түріндегі екінші электрод – металл анод А орналастырылады. Баллон ішіндегі ауа сорып алынады, электрод аралығына Б батареясынан кернеу түсіріледі.

1 сурет 2 сурет

Катодтан жарық әсерінен ыршып шыққан электрондар электр өрісінде үдетіледі де, анодқа қарай үдемелі қозғалып, тізбекте ток туғызады.

Сыртқы фотоэффект құбылысымен жұмыс істейтін фотоэлементтердің маңызды сипаттамалары мыналар:

1. вольтамперлік сипаттамасы;

2. жарықтың сипаттамасы;

3. фотоэлементтің сезімталдығы.

Тұрақты жарық ағыны фототогының кернеуге тәуелділігі, фотоэлементтің вольтамперлік сипаттамасы деп аталатын қисық сызық арқылы беріледі. (2-сурет). Оның бірнеше ерекшелігі бар:

1. Үдету кернеуінің кейбір U мәнінде ток қанығу мәніне I_k ие болады да, катодтан шыққан электрондардың барлығы анодқа барып жетеді, I_k қанығу тогының мәні жарық әсерінен бірлік уақытта катодтан бөлініп шыққан электрондар санымен анықталады;

2. фотоэлементтегі вакуум жоғары деңгейде болса, онда жарық әсерінен катодтан ыршып шыққан электрондар үдетуші электр өрісі болмаған (U=0) кезде де анодқа барып жетеді. Бұл электрондардың катодты v≠0 жылдамдықпен “тастап” кететінін көрсетеді. Ток нөлге тең болуы үшін, мөлшері төменгі қатынаспен анықталатын тежегіш кернеуін U_T беру керек:

(3)

Фототоктың (фотоэффектінің) тұрақты кернеу кезіндегі фотоэлементке түсетін сыртқы жарық ағынына тәуелділігін фотоэлементтің жарық сипаттамасы деп атайды.

Фотоэлементтің сезімталдығы деп і_ф фототогының жарық Ф ағынына қатынасы айтылады.

(4)

Анодтағы кернеудің өсуімен қатар фотоэлементтің сезімталдығы артады. Сонымен бірге, фотоэлементтердің сезімталдығын арттыру үшін баллонды қысымы 10^-2 мм сын. бағ. тең етіп, инертті газдармен (Ar, Ne, He) толтырады. Мұндай фотоэлементтер газ толтырылған фотоэлементтер деп аталады. Олардың фототогы фотоэлектрондардың молекулаларды иондауы және екінші ретті электрондардың пайда болуы нәтижесінде біршама артады. Газ толтырылған фотоэлементтер вакуумдық фотоэлементтерге қарағанда инерттілеу болады.

Тәжірибе қондырғысы.

3-суретте фотоэлементті тізбекке жалғау сұлбасы көрсетілген.

Мұнда Ф.Э. – зерттелетін фотоэлемент;

μА – фототок өлшейтін микроамперметр;

R₁ – фотоэлементтің кернеуін U₁ реттейтін потенциометр;

V₁ – U₁ – дегі кернеуді өлшейтін вольтметр;

V₂ – жарық күші J анықталатын L шамдағы кернеуді өлшейтін вольтметр.

Тәжірибені орындау.

1-тапсырма. Фотоэлементтің вольтамперлік сипаттамасын алу және оның сезімталдығын анықтау.

1. Сұлбаны ток көзіне қосып, қыздыру шамына белгілі U₂ (мысалы, U₂=200В) кернеуін беру керек. Бұл кернеуді тәжірибенің соңына дейін өзгертпей ұстау керек.

2. Фотоэлементті L эталон шамынан 5 см қашықтыққа оптикалық орындыққа қою керек.

3. Фотоэлементтің U₁ кернеуін 0-ден қанығуға дейін әрбір 10 В сайын өзгерте отырып, әрбір U₁ – ге сәйкес келетін фототогын I_ф микроамперметрмен өлшеу керек.

4. Шамды фотоэлементтен 15 см арақашықтыққа қойып, 3-пункттегі өлшеулерді қайталаңыз.

5. Өлшеу нәтижелерін 1-кестеге жазыңыз.

2-тапсырма.Фотоэлементтің жарық сипаттамасын анықтау.

1. Фотоэлементті U₁=100 В кернеуге қосыңыз.

2. Фотоэлемент пен шам аралағын әрбір 5 см сайын I_ф-ның мүмкін максимал мәніне жеткенше өзгертіңіз.

3. Фотоэлементке U₁=120 В кернеуін қойыңыз.

4. 2-пункттегі өлшеулерді жалғастырыңыз.

5. Нәтижелерді 2-кестеге жазыңыз.

Нәтижелерді өңдеу.

1-тапсырма

1. L – дың әрбір мәні үшін мына өрнек бойынша жарық ағынын есептеңіз.

(5)

мұндағы J – эталон шамының жарық күші; S – фотокатодтың ауданы; L – фотоэлементтен шамға дейінгі қашықтық.

2. (4) өрнегі бойынша фотоэлементтегі барлық есептеулер үшін фотоэлементтің сезімталдығы γ-ны есептеңіз.

3. Орташа мәнді <γ>, абсолют қатені Δγ, салыстырмалы қатені ε есептеңіз.

4. Нәтижелерді мына түрде беріңіз γ=<γ>

5. Барлық алынған нәтижелерді 1- кестеге жазыңыз.

6. Ф=const кезіндегі і_ф =f(U₁) тәуелділік графиктерін салыңыз.

1 таблица

S=12 см^2					J=29 кд			U2=200 В
№	r,см	U1, B	iФ,мкА	Ф, лм		γ, А\мм	<γ>, А\мм		Δγ, А\мм	ε, %	γ=<γ>
1	5
2
3
4
...
1	15
2
3
4
...

2-тапсырма

1. (5) өрнегі бойынша шамның әр жағдайы үшін жарық ағынын есептеңіз.

2. Есептеу нәтижелерін 2-кестеге енгізіңіз.

3. Ф=const кезіндегі i_ф=f(U₁) тәуелділік графигі, яғни, фотоэлементтің жарық сипаттамаларын салыңыз.

4. Селенді фотоэлемент диаметри 3 см J=1 кд

S=12 см^2			J=29 кд			U2=200 В
№	r, см	U1, В		іФ, мкА	Ф, лм
1		50
2
3
4
...
1		100
2
3
4
...

Бақылау сұрақтары.

1. Фотоэффект деп қандай құбылысты айтамыз?

2. Столетов заңін сипаттап беріңіз?

3. Сыртқы фотоэффектінің негізгі заңдары. Эйнштейн теңдеуі.

4. Ішкі фотоэффекті дегеніміз не?

5. Үстап қалұ (тоқтату) кернеуы деген не?

6. Фотоэффектінің қызыл шегі.

7. Фотоэлементтер, олардың құрылымы және пайдаланылуы.

8. Фотоэлементтің негізгі сипаттамасы.

9. Монохроматик жарық деген не?

10. Осы жұмыста қанығу ток, кернеудің қандай шамасына сәйкес?

6