Явление испускания электронов веществом под действием падающего света получило название фотоэффекта. Различают внешний фотоэффект, когда испущенные электроны покидают пределы тела и внутренний фотоэффект, когда электроны, потерявшие cвязь со своими атомами, остаются внутри тела, изменяя его электропроводность. Основные закономерности внешнего фотоэффекта впервые были исследованы русским физиком А. Г. Столетовым в 1888-90 гг. На основании обобщения опытных данных установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:
1. При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световом потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности.
3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества величины νmin называемой красной границей фотоэффекта.
Явление фотоэффекта может быть объяснено только исходя из квантовых представлений о природе света. Развивая квантовую теорию Планка, Эйнштейн выдвинул гипотезу, согласно которой не только испускание и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте света:
(1)
Применяя закон сохранения энергии для объяснения явления фотоэффекта, Эйнштейн установил соотношение, которое получило название основного уравнения фотоэффекта:
(2)
где А - работа выхода электрона из вещества;
mv2 /2 - кинетическая энергия вырванного электрона;
h - постоянная Планка.
Согласно Эйнштейну, каждый фотон взаимодействует только с одним электроном. Энергия фотона полностью передается электрону, при этом часть энергии тратится на совершение работы выхода электрона из вещества, а оставшаяся часть идет на сообщение ему кинетической энергии. Из (2) для красной (низкочастотной) границы фотоэффекта имеем:
(3)
Если подать на фотоэлемент задерживающее напряжение, то электроны будут тормозиться на пути к аноду. При определенной величине задерживающего напряжения будет выполняться соотношение:
, (4)
то есть кинетическая энергия вырванных электронов полностью расходуется на преодоление задерживающего напряжения.
В этом случае даже самые быстрые электроны не достигают анода. Фотопоток перестает существовать, и уравнение Эйнштейна (2) с учетом соотношения (4) может быть записано в виде:
(5)
На использовании явления внешнего фотоэффекта основана работа вакуумных и газонаполненных фотоэлементов. Основными характеристиками вакуумного фотоэлемента являются его вольтамперная, световая, спектральная характеристики и интегральная чувствительность. Под вольтамперной характеристикой понимают зависимость силы фототока от приложенного напряжения, т.е. i=f(U). Световой характеристикой называется зависимость силы фототока от величины светового потока, т.е. i = f(Ф). Световой поток равен:
(6)
Где I - сила света источника;
Ω - телесный угол, в котором распространяется свет.
Поскольку Ω =S/r2, то для светового потока справедливо выражение:
(7)
где S - площадь входного окошка фотоэлемента, на который опирается телесный угол;
R - расстояние от источника света до фотоэлемента.
Под спектральной характеристикой понимают зависимость силы фототока от длины падающего света, т.е. i=f(λ). Интегральной чувствительностью фотоэлемента j называется отношение силы фототока i к величине светового потока Ф:
(8)
Описание установки
Установка для изучения основных характеристик фотоэлемента состоит из оптического рельса, на котором размещаются исследуемый фотоэлемент и источник света. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой щелочного металла, служащий катодом. Анод изготовлен в виде металлического кольца. Для питания лампы и фотоэлемента применяют источник постоянного тока. Сила фототока измеряется с помощью чувствительного микроамперметра, напряжение - с помощью вольтметра постоянного тока.
Выполнение работы
Упражнение I. Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента.
1. Разместив на оптическом рельсе источник света и фотоэлемент, собрать электрическую схему согласно рисунка 1.
 |
Рисунок 1.
2. На фотоэлемент, установленный на расстоянии 15 см от лампы, подать напряжение 30 В и измерить силу фототока.
3. Изменяя напряжение с помощью потенциометра, через каждые 10 В (от 30 В до 100 В) фиксировать соответствующие значения силы фототока.
4. Используя результаты измерений, построить вольтамперную характеристику, т.е. i=f(U).
5. Установить фотоэлемент на расстоянии 20 см от лампы и повторить всю серию измерений. Построить график и сделать выводы.
Упражнение 2. Снятие световой характеристики фотоэлемента
1. Установить фотоэлемент на расстоянии 10 см от источника света и подать на него напряжение 70 В.
2. Открыть фотоэлемент и измерить силу фототока.
3. Поддерживая на фотоэлементе постоянное напряжение 70В, передвинуть его на расстояние 15, 20, 25 см и т.д., зафиксировать соответствующие значения силы фототока. Вычислить по формуле (7) величину светового потока при каждом положении фотоэлемента (R=10, 15, 20, 25 см).
При этом площадь светочувствительного слоя фотоэлемента S определяем как площадь круга S=πD2/4. Диаметр фотоэлемента D=39 мм. Сила света источника I = 21 Кд.
4. Построить график зависимости i = f(Ф), т.е. световую характеристику.
5. Увеличить напряжение на фотоэлементе до 100 В и повторить всю серию измерений. Построить и в этом случае световую характеристику и сделать выводы.
Контрольные вопросы
1. Чем отличается внешний фотоэффект от внутреннего?
2. Сформулировать основные законы внешнего фотоэффекта.
3. Что такое "красная граница" фотоэффекта?
4. Назвать основные характеристики вакуумного фотоэлемента.
5. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
6. Роль разности потенциалов между анодом и катодом при работе фотоэлемента (рассмотреть с точки зрения положений электростатического поля).