Лабораторная работа № 1

Изучение законов внешнего фотоэффекта

1.Цель работы

1.1.Исследование вольтамперных характеристик (ВАХ) фотоэлементов

1.2. Определение значения работы выхода и красной границы фотоэффекта.

1.3.Численная оценка постоянной Планка.

2.Приборы и принадлежности

2.1.Источник электромагнитного излучения – ртутная лампа.

2.2.Набор интерференционных светофильтров.

2.3.Устройство регулировки интенсивности падающего света (поляроид).

2.4.Сменные фотоприёмные устройства с фотоэлементами Ф-8 и Ф-25.

2.5.Измерительный блок.

3.Краткое теоретическое введение

Фотоэффектом называется явление вырывания электронов из атомов вещества под действием света.

Для изучения фотоэффекта можно воспользоваться вакуумным диодом, изображенным на рисунке.

Фотокатод ФК, покрытый исследуемым металлом, освещается монохроматическим светом с частотой . Освещенность фотокатода пропорциональна интенсивности падающего света J_св.

Электроны, вырванные с поверхности фотокатода с помощью света, называются фотоэлектронами, а создаваемый ими электрический ток – фототоком.

Между анодом А и фотокатодом ФК с помощью источника с регулируемой ЭДС  создается напряжение U = _А - _ФК. Напряжение между анодом и фотокатодом измеряется вольтметром V, а фототок – гальванометром G.

Проанализируем экспериментальные зависимости величины фототока I от подаваемого напряжения U, которые называются вольтамперными характеристиками (ВАХ).

Начнем освещать фотокатод светом с частотой ₁ и интенсивностью J₁ (кривая 1 на ВАХ). При нулевом напряжении на фотодиоде (U = 0) по цепи потечет электрический ток I_т1, образованный фотоэлектронами, летящими непосредственно к аноду. Этот ток I_т называется темновым током.

П

Вольтамперные характеристики (ВАХ) фотодиода.

о мере увеличения напряжения (U>0), на анод будет попадать все большая часть образованных фотоэлектронов. Наконец, когда под действием электрического поля все фотоэлектроны будут попадать на анод, фототок достигнет своего максимального значения (ток насыщения - I_нас1). Дальнейшее повышения напряжения U не приводит к увеличению фототока.

Если на фотодиод подать отрицательное напряжение (U<0), то фотоэлектроны, летящие непосредственно к аноду, будут тормозиться электрическим полем, и при достижении напряжения U величины U_з1 даже самые быстрые электроны не смогут достичь анода. Величина U_з1 называется задерживающая разность потенциалов, и находится из закона сохранения энергии: Е_кин= Е_пот,

(1)

Если освещенность фотокатода уменьшить, не меняя спектрального состава падающего света, то вид вольтамперной характеристики изменится (кривая 2 на ВАХ). При этом величина темнового тока I_т2 и ток насыщения I_нас2 также уменьшатся, а значение задерживающего напряжения останется прежним U_з1 = U_з2. Анализируя подобные экспериментальные данные, в явлении фотоэффекта можно наблюдать следующие закономерности (законы фотоэффекта).

1. При неизменном спектральном составе излучения количество вырываемых электронов прямо пропорционально освещенности фотокатода и, следовательно, интенсивности падающего света J_св.

2. Максимальная скорость фотоэлектронов v_max не зависит от освещенности фотокатода, а зависит от длины волны  падающего излучения.

3. Фотоэффект не наблюдается, если длина волны падающего излучения   _кр, где _кр - красная граница фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта определяется свойствами материала фотокатода, и приведена в соответствующих таблицах.

Теоретическое обоснование закономерностям фотоэффекта дал А. Эйнштейн. Он показал, что поглощение света происходит отдельными фотонами (квантами света). Отдельный акт поглощения одного фотона описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта.

, (2)

где – энергия одного кванта света (фотона) с частотой или длиной волны ;

h= 6,6310^–34 Джс – постоянная Планка;

с = 310⁸ м/с – скорость света;

А_вых – работа выхода – минимальная энергия, необходимая для вырывания электрона;

т_е, v_max – масса и максимальная скорость вырываемого электрона, соответственно.

Для определения красной границы фотоэффекта _кр нужно положить скорость вырываемых электронов v_max равной нулю. Тогда уравнение (2) примет вид:

(3)

Если длина волны  падающего света будет больше чем _кр, то энергии фотона не хватит для вырывания электрона и фотоэффект не наблюдается.

Интенсивность падающего света должна определяется выражением:

J_св = n_фотh, (4)

где n_фот – число излучаемых фотонов в единицу времени.

Фототок насыщения I_нас пропорционален числу вырываемых фотоэлектронов в единицу времени, число которых, в свою очередь, пропорционально числу излучаемых фотонов в единицу времени:

I_нас ~ n_фот. (5)

Если частота излучаемых фотонов не изменяется, то интенсивность падающего света пропорциональна только числу излучаемых фотонов в единицу времени. Отсюда, с учетом (4), следует первый закон фотоэффекта.