Лабораторная работа №5
Внешний фотоэффект
Цель работы: Усвоение механизмов взаимодействия света с веществом и проявлений корпускулярной природы фотонов на примере внешнего фотоэффекта.
Задача: получить вольт-амперную зависимость фототока 
при различных значениях освещенности и оценить интегральную чувствительность фотоэлемента.
Принадлежности: фотоэлемент типа СЦВ-4, источник питания, вольтметр, микроамперметр, высокоомный реостат, лампа накаливания, ключ, линейка.
Краткая теория
Фотоэлектрический эффект – это изменение состояния атомной системы (электрона) при воздействии света. Внешний фотоэффект состоит в том, что под действием поглощенного света с поверхности металлов испускаются электроны. Внутренний фотоэффект выражается в различных квантовых процессах, например, в появлении электронов проводимости в некоторых полупроводниковых материалах при их освещении.
Применение фотоэффекта в технике: Изменение электрического сопротивления при фотоэффекте используется в иконоскопах – основе телевизионных камер, фотометрии (фоторезисторы). В солнечных батареях свет образует разное количество электронов проводимости (разную концентрацию) на границе между областями полупроводника с различными примесями. Образующееся электронное облако стремится к уравновешиванию парциального давления электронного газа с обеих сторон границы. Но это приводит к изменению электрического потенциала, эмиттирующая электроны сторона заряжается положительно, а коллектор – отрицательно. При подключении проводов к различным сторонам этой границы получают э.д.с.
Сущность фотоэффекта объясняется по квантовой теории излучения. Световое излучение обладает волновыми свойствами, что проявляется в преломлении, интерференции и дифракции света. Вместе с тем излучение света происходит не непрерывно, а отдельными порциями – фотонами -- квантами света. Энергия кванта зависит от частоты света, т.е. 
, где 
Дж*с. – постоянная Планка, а ν – частота света.
Пусть на поверхность металла падает квант света. При этом энергия одного фотона целиком поглощается одним электроном. Электрон приобретает дополнительную энергию 
, которая идет на совершение электроном работы выхода 
и на сообщение электрону кинетической энергии >0.
Работа выхода А: Свет поглощается электронами проводимости, которые образуют общее электронное облако, окутывающее положительный ионный скелет кристаллической решетки. При этом наиболее быстрые электроны (с энергией < А) могут выходить за границу этой решетки на расстояние до 10-8м, но без дополнительной энергии затягиваются обратно в кристалл электрическим полем положительного ионного скелета. Поэтому для выбивания и отрывания электрона из вещества необходимо сообщить электрону энергию, превышающую А.
Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется согласно уравнению Эйнштейна:
(1)
Работа выхода зависит от структуры и свойств электронных оболочек атомов и молекул в составе вещества. Наименьшую связь внешних электронов с ядром, а следовательно работу выхода имеют элементы с большим номером элемента, а также первой и второй группы периодической системы Менделеева - щелочные и щелочноземельные элементы, а также некоторые сплавы и химические соединения. Для изоляторов работа выхода на несколько порядков выше, внешний фотоэффект получить затруднительно, так как уже при меньших значениях энергии фотонов происходит фотодеструкция вещества.
Из уравнения (1) вытекают законы внешнего фотоэффекта.
Первый закон. С увеличением частоты света скорость фотоэлектронов возрастает. Частота 
, при которой 
определяет порог фотоэффекта и называется красной границей фотоэффекта.
При частотах меньше (при длине волны больше) красной границы фотоэффект не происходит. Красная граница для H2O -- 200; Fe – 287; Sb – 310; Al -- 450; Ka – 1000 нм.
Второй закон. Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности излучения. Число фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности, при данной частоте 
пропорционально интенсивности излучения.
Третий закон. Число фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности при постоянной интенсивности, увеличивается с увеличением частоты.
Приборы, в основе действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами, которые находят широкое применение в науке и технике. Так, фотоэлементы с внешним фотоэффектом служат датчиками световых сигналов. Фоторезисторы – элементы электронных схем, сопротивление которых зависит от освещенности, используют внутренний фотоэффект.
Задание на работу
Снятие вольт-амперных характеристик фотоэлемента и определение его интегральной чувствительности.
Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент (СЦВ-4) выполнен в виде стеклянного баллона, внутри которого давление 
- 
мм. рт. ст. На одну половину внутренней поверхности баллона на подкладочный слой серебра нанесен сурьмяно-цезиевый Cs3Sb слой, служащий катодом. В центральной части баллона расположен анод А, имеющий форму сферы (рис.1).
Рис.1.
При постоянном световом потоке фототок зависит от направления, подаваемого между анодом и катодом.
Последовательность выполнения работы:
1. Подготовить таблицу экспериментальных данных:
Таблица1.
| l,см | U, В | ||||||||||||
| i, (мкА) | |||||||||||||
| i, (мкА) | |||||||||||||
| i, (мкА) |
2. Собрать электрическую цепь по рис.1.
3. Лампу L поставить на расстоянии 20см от фотоэлемента.
4. Увеличивая напряжение последовательно на 10В, измерить фототок. При этом напряжение нужно увеличивать до тех пор, пока не наступит ток насыщения.
5. Результаты записать в таблицу 1.
Известно, что величина фототока насыщения пропорциональна потоку световой энергии Ф, падающей на катод:
(2)
где γ – интегральная чувствительность фотоэлемента (мкА/лм).
Поток световой энергии выражается в системе СИ в люменах (лм):
(3)
где S – площадь фотокатода, равная 11 + 0,2 см², I – сила источника света (для данного осветителя = 54 + 3 кд), l – расстояние от источника света до фотокатода. Из формул (2 и 3) получим:
(4)
6. По полученным данным построить график вольт-амперной характеристики фотоэлемента и вычислить интегральную чувствительность фотоэлемента по формуле (4).
7. Относительную погрешность экспериментального метода оценивают по формуле:
(5),
где для погрешности фототока Δ i берем половину цены шкалы микроамперметра.
8. Абсолютную погрешность вычисляют как произведение уже найденного значения относительной погрешности на среднее значение показателя по формуле: 
(6)
9. Результат записывается в виде 
(7)
Контрольные вопросы
1. Что такое фотон?
2. Что называют фотоэлектрическим эффектом?
3. Внутренний фотоэффект.
4. Внешний фотоэффект.
5. Сформулируйте законы внешнего фотоэффекта.
6. Уравнение Эйнштейна.
7. Работа выхода и связь ее со структурой и составом вещества
8. Красная граница фотоэффекта
9. Единицы измерения в фотометрии
10. Где применяется фотоэффект?
Литература
1. Курс физики // под ред. В.Н. Лозовского. – С-Пб., изд. Лань, 2001
2. Ландсберг Г.С. Оптика. – М., Гостехиздат, 1979
3. Иверонова В.И. Физический практикум. Электричество и оптика // под ред. В.И. Ивероновой – М., Наука, 1963
4. Кортнев А.В. и др. Практикум по физике, М., Высшая школа, 1961
5. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2000