Лабораторная работа №5 исследование характеристик вакуумного фотоэлемента

Цель работы: снятие вольт-амперной характеристики фотоэлемента, определение красной границы фотоэффекта, работы выхода электрона и постоянной Планка.

Оборудование:вакуумный фотоэлемент, галогеновая лампа, набор светофильтров, электронный блок приборов: включает микроамперметр, вольтметр, источник питания.

Введение

Внешним фотоэффектом называют процесс испускания электронов с поверхности металла под действием света. Согласно квантовой теории всякое тело может поглощать и испускать энергию порциями, содержащими целое число элементарных порций – квантов энергии. Энергия фотона ε опреде­ляется законом Планка:

,

где h=6,624∙10^–34 Дж∙с – постоянная Планка, ν – частота падающей волны.

Закон сохранения энергии при неупругом взаимодействии фотона со свободным электроном металла выражается уравнением Эйнштейна:

,

(16)

где A – работа выхода электрона из металла; m – масса электрона, а V – его скорость.

Из уравнения Эйнштейна видно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит не от интенсивности света, а от его частоты и работы выхода А. При уменьшении частоты света скорость выбитых электронов уменьшается и при некоторой частоте ν₀ становится равной нулю. Частоту ν₀, ниже которой фотоэффект у данного металла не наблюдается, называют граничной частотой фотоэффекта или красной границей фотоэффекта, при этом:

.

(17)

Вакуумный фотоэлемент представляет собой двух электродный электронно-вакуумный прибор. Электроды выполнены из металла. Катод в основном выполняет из металла с малой работой выхода. Катод облучается светом и с него под действием фотоэффекта выбиваются электроны. Если подать между катодом и анодом ускоряющее напряжение (на анод положительный полюс, а на катод–отрицательный), то в освещенном фотоэлементе потечет электрический ток.

Особенности фотоэлементов определяются их спектральной и вольт-амперной характеристиками. Спектральная характеристика определяет область спектра, в которой может применяться фотоэлемент.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэлемента (рис. 13) выражает зависимость фототока I от разности потенциалов U между электродами. С увеличением напряжения между катодом и анодом U фототок растет до определенного предельного значения I_н – тока насыщения, который согласно закону Столетова, пропорционален световому потоку Φ, падающему на катод:

.

(18)

Рис. 13. Вольт-амперная характеристика

вакуумного фотоэлемента

Фототок полностью прекращается при создании задерживающего напряжения U_з обратной полярности по сравнению с ускоряющим. При U = U_з кинетическая энергия всех фотоэлектронов снижается до нуля под действием электрического поля, т.к. она равна работе, совершаемой полем:

,

(19)

где e – элементарный заряд (заряд электрона).

Метод измерений

В соответствии с уравнениями (16) и (19) имеем:

.

(20)

Это соотношение указывает на возможность экспериментального определения работы выхода электрона из метала А и постоянной Планка h по зависимости задерживающего потенциала U_з от частоты ν падающего на фотоэлемент света. Согласно уравнению (20) зависимость U_з = f(ν) представляет собой прямую линию (рис. 14) с угловым коэффициентом, равным . На оси ординат прямая отсекает отрезок, равный.

Этот способ определения работы выхода электрона из металла основан на экстраполяции графика U_з = f(ν) на значение ν = 0.

Рис. 14. Зависимость задерживающего потенциала