Контрольные вопросы

1. Расскажите об открытии явления фотоэффекта и его экспериментальных законах.

2. Объясните фотоэффект из квантовых представлений.

3. В чем сущность внутреннего фотоэффекта?

4. Что называется внешним фотоэффектом?

5. Что такое красная граница фотоэффекта?

6. Каково устройство фоторезистора?

7. Что такое интегральная чувствительность фоторезистора?

8. Что такое темновой фототок?

9. Что такое световая чувствительность фоторезистора?

10. Что показывает кратность изменения сопротивления?

РАБОТА №3.12

Изучение явления внешнего фотоэффекта. Определение постоянной планка

Цель работы: изучить явление внешнего фотоэлектрического эффекта и экспериментально определить постоянную Планка; работу выхода электрона из металла.

Приборы и принадлежности: фотоэлемент СЦВ (сурьмяно-цезиевый вакуумный фотоэлемент), нуль-гальванометр, потенциометр, осветитель.

Введение

В металле свободные электроны (электроны проводимости) находятся в своеобразной потенциальной яме глубиной W₀ (рис. 12.1). Здесь по оси ординат откладывается энергия, энергетические уровни изображены горизонтальными линиями, электроны – точками.

Согласно положениям квантовой механики, электрон может занимать лишь определенный энергетический уровень, на каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов, при абсолютном нуле электроны проводимости занимают нижние уровни. Самый верхний уровень, заполненный электронами, называют уровнем Ферми. Энергию  , которой обладают электроны, находящиеся на этом уровне, называют энергией Ферми. Для удаления электрона из металла над ним надо совершить работу.

(12.1)

Рис. 12.1

Здесь знак больше относится к случаю удаления электрона с уровня, лежащего ниже уровня Ферми. При удалении электрона с уровня Ферми, работа по удалению электрона из металла достигает минимального значения. Эту работу А_В называют работой выхода электрона из металла. Работа выхода практически не зависит от температуры и является характеристикой металла. У вольфрама, например, она равна 5,3 эВ, у бария–2,5 эВ, у цезия-1,9 эВ.

Явление вырывания электронов с поверхности металла под действием света называют фотоэлектронной эмиссией или внешним фотоэффектом. Согласно квантовой теории, свет – это поток фотонов. Каждый фотон обладает энергией:

, (12.2)

где h – постоянная Планка,

 - частота света.

При взаимодействии фотона с металлом он полностью отдает свою энергию одному из свободных электронов. Если энергия фотона больше работы А, необходимой для удаления электрона с данного энергетического уровня, то электрон может покинуть пределы металла, и при этом будет обладать некоторой кинетической энергией согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта:

(12.3)

где h - энергия фотона,

mv²/2 – кинетическая энергия вышедшего из металла электрона,

А – работа выхода электрона из металла.

Так как работа А, необходимая для удаления электронов с различных энергетических уровней различна, поэтому согласно уравнению (12.3) фотоэлектроны будут иметь различную кинетическую энергию и скорость. При вырывании электрона с уровня Ферми работа вырывания минимальна, кинетическая энергия и скорость фотоэлектрона в этом случае максимальна.

Явление фотоэффекта широко используется в вакуумных газонаполненных фотоэлементах. Вакуумный фотоэлемент представляет собой откачанный до высокого вакуума стеклянный баллон сферической формы, половина внутренней поверхности которого покрыта металлом, играющим роль фотокатода К. На рис. 12.2 приведена схема включения фотоэлемента в цепь. Между анодом А и катодом К подается напряжение. При освещении катода фотоэлектроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем, попадают на анод А и по цепи протекает фототок.

Рис. 12.2 Рис. 12.3

Величина фототока зависит от напряжения между анодом и катодом. На рис. 12.3 приведена кривая зависимости фототока от напряжения при неизменной освещенности катода фотоэлемента. Она обладает следующими особенностями:

1. При напряжении U=0 фототок I0, что свидетельствует о наличии кинетической энергии фотоэлектронов.

2. При увеличении задерживающего напряжения, когда на электрод К подается более высокий потенциал, чем на электрод А, фототок уменьшается не сразу, а постепенно (участок ав, рис. 12.3). В начале задерживаются электроны с малой энергией, затем с большей и при запирающем напряжении U=U_зап – с максимальной энергией.

3. При достаточно большом ускоряющем напряжении фототок достигает тока насыщения I=I_н (участок сd).

Фототок через фотоэлемент становится равным нулю, когда работа задерживающего поля еU_зад становится равной максимальной кинетической энергии фотоэлектронов:

(12.4)

где е – заряд электрона.

Из соотношений (12.3) и (12.4) получаем:

(12.5)

Измерим запирающее напряжение U₁ при освещении фотокатода светом с частотой ₁, а затем напряжение U₂ при освещении фотокатода светом с частотой ₂. Учитывая (12.5), запишем два уравнения:

(12.6)

(12.7)

Из соотношений (12.6) и (12.7) получим:

(12.8)

Учитывая, что из соотношения (12.8) получаем:

(12.9)

где с – скорость света в вакууме,

е – заряд электрона,

₁, ₂ – длины волн света, которым освещается фотокатод в первом и втором случаях.

Подставляя значение постоянной Планка из соотношения (12.9) в соотношение (12.6), получаем работу выхода:

(12.10)